单元 4 ：顶底复合吹炼转炉冶炼工艺单元 4 ：顶底复合吹炼转炉冶炼工艺

单元 3 ： 顶底复合吹炼法的种类及其特征

单元 2 ：顶底复合吹炼转炉的冶金特点 单元 2 ：顶底复合吹炼转炉的冶金特点

单元 1 ：氧气底吹转炉炼钢概述 单元 1 ：氧气底吹转炉炼钢概述

项目二任务3

5 顶底复合吹炼转炉

发展状况1

底吹转炉设备2

熔池内反应基本特点3

操作工艺4

5-1 氧气底吹转炉炼钢概述

顶吹和底吹比较工艺5

观看录像 5 － 1 录像网址： http://www.scemi.com/jpkc/tfyzl/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=38

• 1965 年加拿大液化空气公司成功研制了双层管氧气喷咀

• 1967 年西德马克西米利安公司引进了此喷咀技术，成功开发了底吹氧气转炉炼钢技术，称之为 OBM 法（ Oxygen Bottom Blowing Maxhutfe ）。与此同时，比利时，法国研制成功与 OBM 相似的方法，法国命名为 LWS 法（采用液态的燃料油作为氧气氧气喷嘴的冷却介质）

• 1971 年美国合众钢铁公司引进了 OBM 法，成功采用喷石灰粉吹炼高磷铁水，命名为 Q － BOP 法（ Quiet-BOP ），如图 5 － 1 所示。

• 目前国外底吹氧气转炉最大容量为 250t （日本川崎钢铁公司千叶厂），供氧强度达 3.6m3/(t.min) 。

5-1-1 氧气底吹转炉炼钢发展状况

• 氧气底吹转炉的炉体结构与氧气顶吹转炉相似，其差别在于前者装有带喷嘴的活动炉底。另外耳轴结构比较复杂，是空心的，如图 5 － 2所示。

• 炉身和炉底可差拆卸分开，不同吨位的炉子，在底吹上安装不同数目的吹氧喷咀，一般为 6-22 支。

• 氧气底吹转炉炉底包括炉底钢板、炉底塞、喷嘴、炉底固定件等，如图 5 － 3 所示。

• 喷咀在炉底上的布置，最常用的是炉底和喷咀垂直。有三种布置形式

5-1-2 氧气底吹转炉设备

5-1-3 熔池反应的基本特点

• 吹炼初期，铁水中 [Si] 、[Mn] 优先氧化，但 [Mn] 的氧化只有 30 ～ 40 ％，这与LD 转炉吹炼初期有 70 ％以上锰氧化不同。

• 吹炼中期，铁水中碳大量氧化，氧的脱碳利用率几乎 100 ％，而且铁矿石、铁皮分解出来的氧，也被脱碳发应消耗了，这体现了底吹氧气转炉比顶吹氧气转炉具有熔池搅拌良好的特点。

• 冶炼时间缩短 5 ～ 9min 。由于良好的熔池搅拌贯穿

• 渣中（ FeO ）含量低于 LD转炉，铁合金收得率高。

5-1-3-1 成分的变化

图 5 － 4 氧气底吹转炉吹炼高磷铁水成分的变化 a—— 不喷吹石灰， b—— 喷吹石灰

A [C]-[O] 平衡• 在钢水中 [ ％ C]>0.07 时，底

吹氧气转炉和顶吹氧气转炉的[C]-[O] 关系，都比较接近 pCO

=1atm ， 1600℃ 时 [C]-[O]平衡关系。

• 当钢水中 [ ％ C]<0.07 时，底吹氧气转炉内的 [C]-[O] 关系低于 pCO=1atm 时 [C]-[O] 平衡关系。

• 底吹氧气转炉和顶吹氧气转炉在相同的钢水含氧量下，与之相平衡的钢水含碳量，底吹转炉比顶吹转炉的要低。

B 锰的变化规律• 底吹氧气转炉熔池中 [Mn]的

变化有两个特点：（ 1）吹炼终点钢水残 [Mn]比顶吹转炉高；

（ 2） [Mn]的氧化发应几乎达到平衡。

• 底吹氧气转炉渣中（ FeO）含量低于顶吹；

• CO分压（约0.4atm）低于顶吹转炉的 1atm；

• 喷咀上部的氧压高， Si气化为SiO并被石灰粉中 CaO所固定，这样MnO的活度增大。

C 铁的氧化和脱磷反应• 底吹氧气转炉渣中（ FeO ）

含量低于顶吹氧气转炉，这样不仅限制了底吹氧气转炉不得不以吹炼低碳钢为主，而且也使脱磷反应比顶吹氧气转炉滞后进行。

• 渣中（ FeO ）含量低，金属的收得率就高。

• 在低碳范围内，底吹氧气转炉的脱磷并不逊色 LD炉。

Q-BOP 和 LD 炉内渣中（ FeO ）

Q-BOP 和 LD 转炉吹炼过程中 [P] 的变化

• 为了提供底吹氧转炉高碳区的脱磷能力，通过炉底喷入铁矿石粉或返回渣和石灰粉的混合料，已取得明显的效果。

• 可采用留渣法吹炼高磷铁水，将前炉炉渣留在炉内一部分，前期吹入石灰总量的 35 ％左右，后期吹入 65 ％左右造渣，中期不吹石灰粉。前期可脱去铁水含磷量的 50％，吹炼末期的炉渣为CaO 所饱和，供下炉吹炼用。

D 脱硫• 230t 底吹转炉吹炼过程中，当熔

池中的碳达到 0.8 ％左右时， [S]

达到最低值，说明吹炼初期固体CaO 粉末有一定的直接脱硫能力。

• 随着炉渣氧化性的提高，熔池一定回硫，吹炼后期随着流动性的改善，熔池中 [S]又降低。

• 与顶吹相比，底吹氧转炉具有较强的脱硫能力，特别是炉渣碱度为 2.5 以上时表现得更明显。

渣钢间硫分配比与炉渣碱度的关系

E 钢中的 [H] 和 [N]

• 底吹氧转炉钢中 [H] 比顶吹转炉的高，其原因是底吹转炉用碳氢化合物作为冷却剂，分解出来的氢被钢水吸收。如某厂顶吹氧转炉钢水中平均含 [H] 量为 2.

6ppm ，而底吹氧转炉平均为 4.5ppm 。

• 底吹转炉钢水的含［ N

］量，尤其是在低碳时比顶吹转炉的低，原因是底吹转炉的熔池搅拌一直持续到脱碳后期，有利于脱气。吹炼终点 [C] 与 [N] 的关系

环境监测说课稿 黄兰粉

5-1-4 工艺操作5-1-4 工艺操作

装料供氧压力与供氧强度

氧气消耗

造渣

供氧时间

冷却介质压力

工艺环节与氧气顶吹转炉基本相似 工艺环节与氧气顶吹转炉基本相似

• A 装料 氧气底吹转炉的装料制度与顶吹转炉相当，装料次序一般是先加石灰，然后兑铁水，最后加废钢。炉容比比顶吹转炉小些。

• B 供氧压力与供氧强度 底吹转炉的供氧压力一般为 0.6 ～ 1.0 Mpa 。底吹转炉的供氧强度通常控制在 4 ～ 6m3/tmin 。

• C 冷却介质压力控制 采用燃料油作冷却介质时，油压控制在 0.2 ～ 0.6 MPa 。

• D 氧气消耗 氧气消耗较少。吹炼低磷铁水时，氧耗为 40 ～ 50 m3/t；吹炼高磷铁水时氧耗为 50 ～ 60 m3/t 。

• E 供氧时间 正常情况下， 供氧时间为 9 ～ 13min ，其供氧时间的控制可以根据全炉钢水吹炼过程耗氧量来确定。

• F 造渣 底吹转炉的造渣有加石灰块和喷吹石灰粉两种工艺。

工艺操作的具体内容

5-1-5 底吹转炉与顶吹转炉的比较

优点• 铁收得率高；• Fe-Mn 、 Al 等合金消耗降低；• 脱氧剂和石灰降低；• 氧气耗降低；• 烟尘少，是顶吹的 1/2 ～ 1/3 ，

喷溅少；• 脱碳速度快，冶炼周期短，生

产率高；• 废钢比增加；• 搅拌能力大，氮含量低。

缺点• 炉龄较低；• ∑（ FeO ）少，化

渣比较困难，脱磷不如 LD

• 钢种 [H] 含量较高；• 氧气消耗增加；• 钢渣反应不平衡，后

期钢渣过氧化。

底吹底吹转炉设备转炉设备

底吹底吹转炉设备转炉设备

氧气底吹氧气底吹转炉炼钢概述转炉炼钢概述

氧气底吹氧气底吹转炉炼钢概述转炉炼钢概述

发展状况发展状况发展状况发展状况反应反应

基本特点基本特点反应反应

基本特点基本特点

操作工艺操作工艺操作工艺操作工艺

小结

顶吹与底吹顶吹与底吹比较比较

顶吹与底吹顶吹与底吹比较比较

5-2 5-2 顶底复合吹炼转炉的冶金特点顶底复合吹炼转炉的冶金特点 5-2 5-2 顶底复合吹炼转炉的冶金特点顶底复合吹炼转炉的冶金特点

各国概况各国概况 我国概况我国概况 种类特征种类特征 冶金特点冶金特点

前言 底吹转炉克服了顶吹转炉吹炼不平稳，后期钢渣反应远离平衡的主要缺点，但其本身也存在着熔池热效率低（缺乏二次燃烧），化渣困难（需采用喷粉工艺）和炉底喷枪烧损严重、寿命低的缺点。进一步解决上述问题发明了氧气转炉顶底复合吹炼工艺。 转炉复合吹炼工艺最初是沿袭顶吹和底吹两种吹炼工艺逐步发展完善：即在顶吹转炉底部喷吹惰性气体和在底吹转炉上部安装顶吹氧枪。实践证明，复吹转炉基本保留了顶吹转炉和底吹转炉的优点，避免各自的缺点，成为当代转炉的基本操作工艺。

5-2-1各国顶底复合吹炼技术概况• 自 1973年奥地利人伊杜瓦德（ Dr.

Eduard）等研试转炉顶底复合吹氧炼钢后，世界各国普遍开始了对转炉复吹的研究工作，出现了各种类型的复合吹炼法。

• 1978 年 4月法国钢铁研究院 (IRSID) 在顶吹转炉上进行了底吹惰性气体搅拌的实验并获得成功， 1979 年4月日本住友金属发表了转炉复合吹炼的报告，从而加速了各国对 LD转炉的改造 .

• 到 1981 年底，全世界采用复吹的转炉达 81座。

• 氧气转炉顶底复吹冶炼法可以说是顶吹转炉和底吹转炉冶炼技术不断发展的必然结果。

• 早在 50年代后半期，欧洲就开始研究从炉底吹入辅助气体以改善氧气顶吹转炉炼钢法的冶金特性。

5-2-2 我国顶底复合吹炼技术的发展概况

• 我国首钢及鞍钢分别在 1980 年和 1981 年开始进行复吹的实验研究，并于 1983 年分别在首钢30 吨转炉及鞍钢 180 吨转炉上推广使用。

• 到目前为止全国大部分转炉钢厂都不同程度的采用了复合吹炼技术，设备不断完善，工艺不断改进，复合吹炼钢种已有 200多个，技术经济效果不断提高。

• 1 →）底部供气元件。双层套管 →环缝 透气砖。

• 2）底吹气源。一般采用前期吹N2，后期用 Ar切换或者是用 C

O2切换工艺。

• 3）复吹工艺的完善和提高。我国氧气转炉复合吹炼技术如后搅拌工艺，炉内二次燃烧技术，特种生铁冶炼技术，底吹氧和石灰粉技术及喷吹煤粉技术等正在完善和提高。

（ 1）顶吹氧、底吹惰性气体的复吹工艺（ 100 ％的顶吹氧＋ 5 ％～ 10 ％的底吹气体） 。其代表方法有 LBE、 LD-KG、 LD-OTB、 NK-CB、 LD-AB等，底部供气强度在 0.03～ 0.12m3/（ t·min ） 。这种类型是以加强熔池搅拌，改善冶金反应动力学条件为主要目的。

• LBE 法：是 1975 年由法国钢铁研究院与卢森堡阿尔贝德公司共同开发的复吹技术，使用缝隙式透气元件，底部供气管路十分复杂繁琐。

• LD-CB 法： 1984 年日本引进、改造、简化 LBE 法技术，形成 LB－ CB 复吹法。

• NK － CB 法：是日本钢管公司开发的， 1981 年投入工业生产，使用集管式透气元件，早期曾用 CO2 为底部气源，后改用氩气；我国台湾基隆钢厂和韩国浦项钢厂都使用了这种技术。

• LD － KGC 法：是日本川崎开发的并用于工业生产，其底部供气流量可在较宽的范围内调节，供气压力高达 4.3MPa；

• 英国钢铁公司的 BAP 法、德国蒂森公司的 TBM 法、日本住友金属公司的 STB 法、神户制钢公司的 OTB 法等都属于弱搅拌型复吹技术，基本上只局限于本公司使用。

5-2-3 顶底复合吹炼法的种类及其特征

（ 2）顶、底复合吹氧工艺（ 60 ～ 95 ％的顶吹氧＋ 5 ～ 40 ％的底吹氧） 。其代表方法有 BSC-BAP、 LD-OB、 LD-HC、 STB、 STB-P等。顶部供氧比为 60％～ 95％，底部供氧比为 40％～ 5％，底部的供氧强度在 0.2～ 2.5m3/（ t·min ）范围，属于强搅拌类型。增大供氧强度，强化冶炼为目的

• 底部供气元件是使用套管式喷嘴，中心供给氧气，环管供给天然气，或液化石油气或油作为冷却介质。

• LD － HC 法：比利时冶金研究中心开发应用的• LD － OB 法：新日铁公司开发的• K － OBM 法：加拿大多发斯科钢厂 1987 年投产的 300t 转炉采

用此法 （ 3 ）底吹氧喷熔剂工艺（ 70 ％～ 80 ％的顶吹氧＋ 20 ～ 30 ％的

底吹氧＋底吹石灰粉） 这种类型是以加速造渣、强化去除磷硫为主要目的。其典型代表有 K-BOP 。

（ 4）喷吹燃料型（ 60～ 80％的底吹氧＋底吹石灰粉＋ 20～ 40％的顶吹氧＋喷吹（油／天然气）预热废钢、 100％的底吹氧＋底吹石灰粉＋附加氧＋顶部或底部喷吹煤粉 是以补充转炉热源，增加转炉废钢加入量为目的。

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钢液中的氧炉渣中的氧

化铁

钢液中的残锰量

脱磷脱硫

富余热

复吹转炉的冶金特点

5-2-4

喷溅

钢液中的氧和炉渣氧化性的控制对于复吹转炉，适当控制吹炼枪位和底吹搅拌强度，可实现对终渣 FeO 的控制： 随着底吹气体流量的增加，终渣 FeO 含量降低； 底吹搅拌强度对降低终渣 FeO 含量有明显的影响，而底吹气体种类（ O2 、 N2或 Ar ）的影响不明显；采用吹炼参数 BOC 可以控制复吹转炉终渣 FeO 的含量。

图 5 － 9 底吹 Ar 时终点 [C] 与自由氧的关系

图 5 － 10 底吹氧时终点 [C] 与自由氧的关系

碳氧平衡

顶吹与复吹转炉的终点 [C]-[O] 关系对比

由图中可以看出，随着碳含量降低，钢水氧含量逐渐升高。复吹与顶吹相比，氧含量平均降低约10010-6 。钢水 [C][O] 积平均为 0.0023 （ σ： 0.0016 ），平均比顶吹转炉降低 23% 。

结论： 顶底复吹的渣中（％ FeO ）比单纯顶吹要少得多，渣中（％ FeO ）是影响氧气转炉金属收得率的最主要因素之一。复合吹炼渣中（％ FeO ）比顶吹转炉显著低的原因是：复吹加强了渣钢之间的搅拌，使炉渣与金属非常接近平衡，在很大的程度上消除了顶吹转炉渣中的氧位显著高于金属的不平衡状况。

图 5 － 11 倒炉时熔池中的 [C] 与渣中（ FeO ）的关系—— ―――顶吹氧； 顶吹氧底吹惰性

— — —气体； 顶底都吹氧

钢中残锰控制

采用复吹工艺加强了转炉熔池搅拌，使钢渣反应接近平衡，有利于提高终点钢水残锰含量。如图所示，顶吹转炉由于钢渣反应不平衡，钢中残锰含量与终点碳含量基本没有关系。采用复吹工艺后，钢中残锰与终点碳含量呈强相关关系。控制终点碳含量大于 0.04% ，钢残锰量高于 0.08% 。 图 复吹与顶吹转炉终点 [Mn]-[C] 关系

脱硫、脱磷 采用复吹工艺后，钢中氧含量与炉渣氧化铁降低，削弱了脱磷的热力学条件，但又促进了脱硫反应的进行。从总体冶金效果看，脱磷效果与顶吹转炉基本相当，而脱硫效果略优于顶吹转炉。从终点控制的稳定性分析，终点磷、硫的稳定性有所提高。如图所示。

图 终点硫含量的控制 图 终点磷含量的控制

采用复吹工艺后，由于渣中氧化铁含量的降低，不利于转炉脱磷。

如图所示，复吹转炉终点磷含量平均值比顶吹转炉升高了 24×10-6 。

图 终点钢水 [P] 含量分布

钢水质量 [P] 含量

脱磷

脱磷的热力学条件：• 低温• 高碱度渣• 高氧化性渣• 大渣量

炼钢过程的脱磷反应在渣—金属间进行，渣中 (CaO) 高的碱性操作可以脱磷。据此脱磷反应可以按下式进行：（ 1 ）分子论形式的表达式2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5Fe(l)2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5Fe(l)（ 2 ）离子形式表达式 2[P]+5[O]+3(O2-)=2(PO3-

4)脱磷反应平衡常数 KP 可以简化为： KP=(aP2O5)/([aP]2[aO]5) lgKP=36850/T-29.07渣中磷的活度 aP2o5=P2o5NP2o5

炉渣的脱磷能力不同渣系下，渣—钢间磷的平衡分配系数

FeO 对炉渣脱磷能力的影响

传统转炉脱磷理论 顶吹铁水脱磷工艺 (SRP 法 )

传统转炉脱磷理论是根据炉渣传氧模型提出的。根据该理论，脱磷反应的基本条件是保证渣中有足够高的氧势向熔池传氧，实现磷的氧化。 根据这一原理，转炉脱磷的条件是： 低温； 高碱度、高 FeO 炉渣； 大渣量。上述脱磷理论无法解释转炉在低 FeO条件下实现铁水脱磷的现象。

底吹喷粉铁水脱磷工艺

现代转炉脱磷理论根据复吹转炉氧的传递规律，提出现代转炉脱磷理论： 在一定的温度和浓度范围内，磷的氧化优先于碳的氧化； 控制反应温度，在反应区 (火点 )内发生磷的氧化反应： 2[P]+5/2{O2}=(P2O5)； 反应产物通过对流向熔池内部和渣钢界面转移，在渣钢界面完成脱磷反应： (P2O5)+(CaO)=(CaO· P2O5) 。 根据这一理论，转炉脱磷的条件是：低温、强搅拌和适当的碱度。 图 5 － 13 磷分配系数与炉渣中（ FeO ）的

关系——— ―――顶吹氧； 顶吹氧底吹惰性气体； — — —顶底都吹氧

复吹工艺对终点磷的影响底吹搅拌强度对脱磷效果的影响

石灰加入方法对脱磷的影响

搅拌与加入方法对石灰熔化速度的影响

转炉脱磷的技术关键：• 低温，降低温度对脱磷有明显好处；• 强搅拌，提高熔池动力学条件，有利于脱磷；• 渣中氧化铁含量 13－ 15% 脱磷效果最佳；• 渣碱度≥ 2.5 。

采用复吹工艺提高了转炉脱硫效率。如图所示，复吹转炉终点硫含量平均值比顶吹转炉降低了 9×10-6 。

图 终点钢水 [S] 含量分布

钢水质量［ S］含量

由于炼钢厂采用全量铁水脱硫预处理工艺，入炉铁水硫平均含量 0.0068% 。故整个转炉吹炼过程中，表现为熔池增硫。图 11、 12 给出碳含量与温度对熔池增硫率的影响。从图中可以看出，复吹转炉的增硫率（平均 131.4% ）小于顶吹转炉（ 178.6% ），随着终点碳含量的降低，熔池增硫的倾向增大；而适当提高终点温度，可防止增硫。

图 终点增硫率与 T的关系图 终点增硫率与 [C] 的关系

脱硫反应

由于复吹工艺根据钢种特点及时进行氮氩切换，使炼钢终点钢水氮含量与顶吹转炉基本相同。如图所示，随终点碳含量升高，钢水氮含量降低。终点钢水氮含量与碳含量的经验关系为： [N] =-35.27[%C]+24.45 (×10-6)

图 复吹转炉钢水氮含量

钢水质量 [N] 含量

减少喷溅 由于复吹转炉钢渣反应接近平衡，吹炼平稳，使喷溅明显减少。如图所示，本钢炼钢厂每百炉喷溅次数由 5-6 次降至 2.5 次。由于喷溅减少，氧枪粘枪次数明显降低（如图所示），减少了处理粘枪次数，减轻了工人劳动强度。

图喷溅次数变化曲线图 处理粘枪频率变化曲线

熔池富余热量

复吹减少了 Fe 、 Mn 、 C 等元素的氧化放热，许多复合吹炼法吹入的搅拌气体，如 Ar 、 N2 、 CO2 等要吸收熔池的显热，吹入的 CO2代替部分工业氧使熔池中元素氧化，也要减少元素的氧化放热量。所有这些因素的作用超过了因少加熔剂和少蒸发铁元素而使熔池热量消耗减少的作用。因此，将顶吹改为顶底复吹后，如果不采取专门增加熔池热量收入的措施，将导致增加铁水用量，减少废钢装入量或其它冷却剂的用量。

复吹冶金效果

缩短供氧时间与冶炼周期 ：提高供氧强度，加快熔池脱碳速度，使供氧时间明显降低。如本钢转炉供氧时间由改造前的 23min 降低到目前的 16min。

提高一次出钢率 ：转炉一次出钢率（又称不倒炉直接出钢率）是指转炉吹炼终点不经过倒炉取样测温，直接出钢的炉数占生产总炉数的比例。一次出钢率越高，说明转炉终点控制水平越高，转炉冶炼周期越短，生产效率越高。如本钢转炉采用复吹工艺后，一次出钢率比顶吹转炉提高 12.14% 。缩短冶炼周期， 提高生产效率：提高生产能力：如本钢炼钢厂经过复吹转炉强化冶炼技术改造后， 2003 年钢产量比改造前最高年产量（ 2000 年 330万吨）提高了 100万吨。喷溅减少 ：

综上所述

小结

主要内容

各国顶底复合吹炼技术概况

顶底复合吹炼法的种类及其特征

我国顶底复合吹炼技术的发展概况

顶底复吹转炉的冶金特点

●复合吹炼底部供气元件的类型及特点

●复吹的底吹气体

5-3 复合吹炼 底部供气

5-3-1 底部供气元件的类型及特点 • 底部供气元件是复吹技术的核心，目前有喷咀型、砖型和细金属管多孔塞型三类。供气要求 :满足分散、细流、均匀、稳定的。

• 喷咀供气元件有单管、双层套管、环缝管或双槽式等。• 单管式适用用于喷吹不需要冷却剂保护的那些气体，如氮气、氩气、二氧化碳、天然气等气体。

• 双层套管喷嘴：由两层同心圆钢管组成，两管之间形成环缝。材质为不锈钢、或耐热钢不锈钢、或碳素钢无缝钢管。双层套管式中心管通氧气，内外管间环缝通碳氢化合物保护介质，或者内管和环缝均通惰性气体。

• 环缝管喷嘴：将双层套管的中心管用泥料堵死，环缝通气，就形成环缝管喷嘴。缝的宽度一般在 0.5 ～ 5mm. 底部供气强度（标态）可在 0.01 ～ 0.10m3/(t.min) 较宽范围内调节。

中心管气体的出口压力 p0 应大于周围环境压力 pe ，供气压力在 106pa 时，应使1＜ p0/ pe ≤2.5

中心管气体的出口压力 p0 应大于周围环境压力 pe ，供气压力在 106pa 时，应使1＜ p0/ pe ≤2.5

环缝喷嘴压力必须满足p0, 环 /pe＞ 1.89 ，若 p0

, 环 /pe＜ 1.89 时，为亚音速，易“喘气）

图 4 － 9 为双层套管构造图 1— 内管 2—环缝图 4 － 10 双层套管喷嘴复吹法

(1) 喷嘴型供气元件

早期使用的是单管式喷嘴型供气元件。再出现双层套管喷嘴。但其外层不是引入冷却介质，而是吹入速度较高的气流，以防止内管的粘结堵塞。实践表明，采用双层套管喷嘴，可有效地防止内管粘结。

• 由于冷却介质流量不足、冷却过度、喷管堵塞和气流的“后坐”现象等，喷咀型供气元件有时存在烧结和结瘤现象，需要以冷却介质工艺参数方面加以改进。使用碳氢化合物作喷咀的冷却介质，在喷咀出口周围可以形成蘑茹头（炉渣与金属的凝结层，其中有放射气孔带）对喷咀有保护作用。蘑茹头大小取决于所吹气体的冷却能力及流量。

炉底枪蘑菇头

最初的砖内为许多呈弥散分布的微孔，称为弥散型透气砖，寿命低。后又研制出砖缝组合型供气元件（也称钢板包壳砖），由多块耐火砖以不同形式拼凑成各种砖缝并外包不锈钢板而组成的 . 同时，又出现了直孔型透气砖，砖内分布很多贯通的直孔道。

（ 2 ）砖型供气元件种类：砖缝型透气砖（弥散型）、直孔型透气砖和细金属管、 多孔塞型供气元件三类。

图 5 － 11 砖缝式供气元件 图 5 － 12 直孔型透气砖

特点 最早的多孔塞型供气元

件（ MutipleHole Plug ，简称 MHP ）是由日本钢管公司研制成功的。是钢管型与砖型供气元件两者的结合。它是由埋设在母体耐火材料中的许多细不锈钢管组成。每块供气元件中埋设的细金属管数为 10 ～ 150根。调节气量幅度比较大在供气的均匀性、稳定性和使用寿命方面都比较好

（ 3 ）细金属管多孔塞式供气元件

图 5 － 13MHP 供气元件 1— 母体耐火材料； 2— 细金属管； 3— 集气箱； 4— 进气箱

图 5 － 14 MHP—D型金属砖结构

图 5 － 15 新的类环缝管式细金型供气元件

5-3-2 复吹的底吹气体

A 气源的选择 : 在选择气源时应考虑其冶金行为、操作性能、制取的难易、价格是否便宜等因素；同时还要求对钢质量无害、安全、冶金行为良好、并有一定的冷却效应、对炉底耐火材料无强烈影响等。目前作为底部气源的有 N2 、 Ar 、 CO2 、 O2 和 CO ，也有采用空气的。

B 气源的应用 底吹气体的冶金行为主要表现在三个方面：强化熔池搅拌，使钢水成分和温度均匀；加速炉内反应，使钢渣反应界面增大，元素间化学反应和传质过程更加趋于平衡；冷却保护供气元件，使供气元件使用寿命延长。

5-3-2-1 底吹气体的种类

底吹气体：氧气、二氧化碳、氮气、氩气、一氧化碳和天然气等气体

底吹底吹气体气体

BB

AA氮气

氩气

一氧化碳空气

EE

CC

DD

二氧化碳

• 氮气：是惰性气体，是制氧的副产品，也是惰性气体中唯一价格最低廉又最容易制取的气体。底吹氮气供气元件结构简单，对炉底耐火材料蚀损影响也最小，是目前被广泛采用的气源之一。若采用全程吹氮，即使供氮强度很小，钢中也会增氮 0.0030 ％～ 0.0050 ％。

• 氩气：是最为理想的气体，不仅能达到搅拌效果，而且对钢质无害。制取氩气设备费用昂贵，所以氩气耗量对钢的成本影响很大。

• 二氧化碳（ CO2 ）：无色无味的气体，在相应条件下，它可以呈气、液、固三种状态存在。 CO2 气体作为底部气源，其冷却效应包括两部分

• 一氧化碳（ CO ）：无色无味的气体，比空气轻。 CO 的物理冷却效应良好，热容热传导系数均优于氩气，也比二氧化碳气好。

• 氧气（ O2 ）：作为复吹工艺的底部供气气源，其氧气用量一般不应超过总供氧量的 10 ％。

• 空气：供气元件也需要惰性气体遮盖保护，同样有使钢水增氮的危险。

底吹气体简介

复吹转炉

高压

中压

总管的气压在 3.0MPa ，我国和日本大多采用中压复吹技术，底部供气总管压力在2.5 ～ 3.0 MPa范围。

总管的气压在 3.0MPa ，我国和日本大多采用中压复吹技术，底部供气总管压力在2.5 ～ 3.0 MPa范围。

底部供气气压在 5.0 MPa级的为高压复吹技术，吹炼效果好，但设备费用与运转费用较 LD － CB 法要高。

低压

已淘汰

已淘汰

5-3-2-2 底吹气体的供气压力

• 底吹惰性气体的供气流量≤ 0.15m3／min·t 钢。• 底吹氧时其流量为 0.2 ～ 2.5 m3／min·t 钢。• 底吹氧同时吹石灰粉其流量为 0.7 ～ 1.3m3／min·t 钢。• 我国多数复吹转炉长期处于小流量且元件半通半不通状态。

目前最有效的办法是向底吹气体中渗入一定浓度的氧气，通过控制引入氧的时机和掺氧浓度，可有效的控制供气元件的透气性能，也可消除炉底上涨和渣壳的影响。南京钢厂在复吹转炉上开发出导入空气法除堵技术，较好地解决了元件的透气性问题。生产实践表明，只要元件没有完全堵死，导入空气后，炼一炉钢便可完全恢复元件的透气性。

5-3-2-3 底吹气体的流量

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装入制度1

供氧制度2

底部供气3

造渣制度4

5-4 顶底复合吹炼转炉冶炼工艺

脱氧合金化操作5

少渣冶炼工艺6

观看录像 5 － 2

录像网址： http://www.scemi.com/jpkc/tfyzl/Article/ShowArticle.asp?ArticleID=38

顶底复吹转炉与顶吹转炉相比，前者炉容比小，顶吹枪位高，低部吹气搅拌，化渣容易。因此冶炼工艺也有所区别。

顶底复吹转炉的转入制度与顶吹转炉相同，常用的是分阶段定量装入制度。新炉衬开吹时也要烘炉，开新炉时可用少量底吹气体，以利炉底烧结和不发生喷孔堵塞。我国几个复吹转炉的装入制度见表 5 － 7 。

5-4-1 装入制度

总述

炉龄 装入量 ,t

开新炉 ～ 50 ~200 >200 >500

鞍钢 150t武钢 50t首钢 30 t南京 15t

160503218

175±57336.520

185±5754122.5

195±5784325

200±58046

表 5 － 7 复吹转炉分阶段定量转入制度

5-4-2 供氧制度 顶底复吹转炉的熔池搅拌主要靠底部吹气和 CO 气体产生的搅拌能来实现，因此其顶吹氧枪的供氧压力有所降低，枪位有所提高。就目前国内大多数顶底复吹转炉来说，属于底吹少量气体的搅拌型复吹转炉，仍然采用恒压变枪操作，在一个炉役期内氧压变化不大。国内几个复吹转炉供氧压力变化见表 5 － 8 所示。

炉龄

开新炉 ～ 50 ~500 >500

鞍钢 150t武钢 50t首钢 30 t南京 15t

0.750.800.700.65

0.801.000.750.75

0.901.051. 880.90

0.901.050.95

表 5 － 8 复吹转炉供氧压力 (MPa)

在吹炼过程中，复吹转炉的氧枪枪位比顶吹转炉提高 100 ～300毫米。如按钢 150t 复吹转炉氧枪枪位变化在 1.4 ～ 1.8m ，武钢 50t 复吹转炉枪位变化在 1.2 ～ 1.6m ，首钢 30t 复吹转炉枪位变化在 0.8 ～ 1.2m ，南京钢铁厂 15t 复吹转炉枪位变化在 0.7 ～ 1.1m 。

图 5 － 16 50t 复吹转炉（ a ）和 30t （ b ）复吹转炉枪位变化 ——复吹；－－－顶吹

5-4-3 底部供气 复吹转炉低部供气，首先应保证低部供气元件畅通无阻。因此无论采用那种供气元件，都必须使底吹供气压力大于炉底喷孔所受到的钢水静压和喷孔阻力损失的最低压力。冶炼中底气管路中的工作压力达 0.5Mpa 以上。

底部供气的供气强度视各类复吹工艺不同而异，搅拌型复吹转炉的底吹供气强度≤ 0.15m3／min.t ，而复合吹氧型复吹转炉的底吹供气强度≥ 0.20m3/min.t 。

A 底部供气的原则 在设备已经确定的基础上，根据钢种冶炼的要求，确定合理的供气模式。通常总是以终点渣 TFe 含量的降低水平，作为评价复吹冶金效果的条件之一。所以，底部供气制度关键是控制终点渣中 TFe 含量。

通常，转炉底吹供气强度决定了熔池混匀时间。随着底吹搅拌强度的增加，熔池混匀时间逐渐减小。为了保证超低碳钢的冶炼，通常取熔池混匀时间小于 50sec，则底吹最大供气强度应达到 0.10Nm3/t.min 以上。

熔池混匀时间与底吹供气强度的关系

炉渣氧化性的控制：对于复吹转炉，适当控制吹炼枪位和底吹搅拌强度，可实现对终渣 FeO 的控制： 随着底吹气体流量的增加，终渣 FeO 含量降低； 底吹搅拌强度对降低终渣 FeO 含量有明显的影响，而底吹气体种类（ O2 、 N2或 Ar ）的影响不明显； 顶底复吹转炉根据吹炼过程调节底吹供气强度：铁水含磷量高，在冶炼前期为了化渣去磷，宜采用较小底吹供气强度；若铁水含磷、硫低，可采用少渣冶炼，宜采用较大底吹供气强度，加快脱碳进行。若铁水含硫高，前期宜采用较大底吹供气强度，以快速升温和化渣，待炉渣化好后，宜增大底吹供气强度，强化脱硫。在顶底复吹转炉中，加入渣料需要化渣时，底吹采用较小强度供气，以保证渣中有一定量的（ FeO）存在。

总的来说，底吹供气强度小，则熔池搅拌强度弱，渣中（ FeO）较高，化渣容易；底吹供气强度大，则熔池搅拌强，脱碳速度快，渣中（ FeO）低，升温快。

B 底部供气模式表 5—9 上海宝钢 300t 转炉复吹供气模式

（ 1）建立转炉底吹管理档案。

（ 2 ）开炉初期采用粘渣涂敷炉底，快速形成“渣 - 金属”蘑菇头保护底吹供气元件。

（ 3 ）转炉在溅渣、吹枪及吹炼后，尽快倾斜转炉，并将转炉内渣倒出，避免粘渣滞留炉底。

（ 4）连续十炉看不见底部供气元件，则进行洗炉底操作。

（ 5）转炉炉底上涨幅度控制在 50-100mm 左右。

（ 6 ）合理地布置底吹透气元件位置，防止溅渣后残留渣对底部透气元件的堵塞。

（ 7）每炉记录底吹供气元件的压力 -流量关系，当出现堵塞倾向时，及时采取加大底吹气量及采用顶枪吹扫炉底。

C 防止供气元件堵塞及维护工艺措施

底吹供气元件的维护效果 在复吹冶炼技术应用中，做到了炉底透气元件全炉役可见，确保了炉底透气元件的透气性。

复吹转炉炉底透气情况 复吹转炉炉底透气情况

炉底枪蘑菇头及透气冷测情况

底吹供气元件的维护效果

5-4-4 造渣制度 复吹转炉化渣快，有利磷、硫去除，通常在吹炼中采用单渣法冶炼，终渣碱度控制在 2.5～ 3.5。

当铁水含 ＞ 1.4%或硫较高，单渣法不能满足脱硫、脱磷要求时，可采用双渣法或双渣留渣法操作。

w PSi

渣料的加入通常根据铁水条件和石灰质量而定，当铁水温度高和石灰质量好时，渣料可在兑铁水前一次性加入炉内，以早化渣，化好渣。若石灰质量达不到要求时，渣料通常分两批加入，第一批渣料要求在开吹后 3min 内加完，渣料量为总渣量的 2/3~3/4；第一批渣料化好后加入第二批渣料，且分小批量多次加入炉内。

前期尽快形成高碱度炉渣，为此应适当提高前期氧枪枪位，并适当增强底吹搅拌，加速石灰熔化。中期应严格避免炉渣返干，控制 (FeO) 含量≥ 10% 。适当减少石灰加入量，保证终渣 CaO 含量接近饱和值。

优化造渣工艺

转炉造渣工艺对比与优化

1

2

3

4

----- 顶吹—— 复吹........ 优化

采用复吹工艺后，钢中 [O] 含量平均比顶吹转炉降低 104×10-6 （如图所示）。氧含量随终点温度和碳含量的变化波动在 290 ～ 760×10-6 的范围。合金收得率有所提高，通常合金的收得率锰为 85 ～ 95 ％，硅为 75 ～ 85 ％，不仅可减少脱氧铁合金消耗，而且大幅度降低脱氧生成的夹杂物，为提高钢材洁净度创造了有利的条件。

终点钢水 [O] 含量分布

5-4-5 脱氧合金化操作

5-4-6 顶底复合吹炼转炉少渣冶炼

• 铁水经预脱硅、预脱磷和预脱硫处理后，为转炉提供低硅、低磷和低硫的铁水，这样就可以不大量造渣，简化转炉操作，转炉内只进行脱碳和升温操作。这就是转炉少渣冶炼的基本含义。

• 1979年，新日铁室兰厂开发了脱硅铁水在转炉内的小渣量冶炼法，即 SMP 法（ Slag Minimizing Process）。

• 新日铁君津厂于 1982年投产了采用石灰熔剂脱磷、脱硫预处理的 ORP 法（ Optimizing the Refining Process）法。

• 同年，日本住友金属也投产采用了苏打粉进行铁水预处理的 SARP 法（ Sumitomo Alkali Refining Process）。

• 1983年，神户制钢开发了石灰和苏打粉联合预处理铁水的 OLTPS 法。由此，开创了转炉少渣冶炼的发展历程，并逐渐完善形成了当今的转炉生产中的先进工艺流程。

复吹转炉少渣冶炼的冶金特性：• 还原性功能。吹入的锰矿粉，可利用渣量少，∑ (FeO) 低，熔池温度

高的特点，使MnO 直接还原，回收锰矿中的 Mn ，从而提高钢液中锰含量。

• 钢中的氢明显减少。由于散装料及铁合金消耗量减少，少渣精炼时钢水和炉渣的氢含量明显减少

• 铁损明显减少。由于渣量减少，渣带走的铁损明显减少。

图 5 － 26 吹炼过程中金属 [C] 、 [Mn] 、 [P] 的变化

图 5 － 27 少渣量与通常渣量

吹炼锰收得率的比较

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装入制度1

供氧制度2

底部供气3

造渣制度4

小结

脱氧合金化操作5

少渣冶炼工艺6

复吹效果6